衬砌检算Word下载.docx

衬砌检算Word下载.docx

《衬砌检算Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《衬砌检算Word下载.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

40

V

12

30

3.0

1.0

4.2衬砌结构的检算

隧道衬砌结构根据结构力学方法（荷载-结构模型），假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模式，按照弹性链杆法原理来计算衬砌结构的内力。

4.2.1围岩压力确定

（1）围岩压力确定公式采用容许应力法，计算双线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其水平匀布压力的作用标准值可按垂直匀布压力公式及表5.2确定。

1）垂直匀布压力

q=γh式（4.1）

h=0.45×

2s-1×

w式（4.2）

w=1+i×

（B-5）式（4.3）

式中q—围岩垂直匀布压力（kPa）

γ—围岩重度（kN/m3）；

i—当B>

5m时，i取0.1；

h—围岩压力计算高度（m）；

S—围岩级别。

2）水平匀布压力

表4.2围岩水平匀布压力

围岩级别

I～II

III

VI

水平匀布压力

<

0.15q

（0.15～0.30）q

（0.30～0.50）q

（0.50～1.00）q

（2）衬砌围岩压力确定

1）III级围岩

取水平匀布压力系数为0.14，围岩重度γ=24kN/m3，可确定深埋隧道衬砌围岩的松散压力为：

w=1+0.1⨯（12-5）=1.7

垂直匀布压力

q=γh=γ⨯0.45⨯2s-1⨯1.7=23⨯0.45⨯22⨯1.7=73.01kPa

e=0.14q=0.14⨯73.01=10.22kPa

故可作出III级围岩衬砌断面受力图如4.1所示。

图4.1III级围岩衬砌受力

2）IV级围岩

取水平匀布压力系数为0.25，围岩重度γ松散压力为：

q=γh=γ⨯0.45⨯2s-1⨯1.7=22⨯0.45⨯23⨯1.7=133.85kPa

e=0.25q=0.25⨯133.85=33.46kPa

故可作出IV级围岩衬砌断面受力图如4.2所示。

图4.2IV级围岩衬砌受力

3）V级围岩

取水平匀布压力系数为0.4，围岩重度γ散压力为：

q=γh=γ⨯0.45⨯2s-1⨯1.7=18⨯0.45⨯24⨯1.7=218.88kPa

e=0.4q=0.4⨯218.88=87.55kPa

故可作出V级围岩衬砌断面受力图如4.3所示。

图4.3V级围岩衬砌受力

4.2.2结构的理想化

（1）衬砌结构的理想化

隧道衬砌是实体拱式结构，轴力和弯矩是主要内力，可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杆单元所组成的折线形组合体。

由《铁路隧道设计规范》可知，单线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，在本设计中，把衬砌划分为28个单元，节点数为29，隧道衬砌单元划分如图4.4示。

图4.4隧道衬砌单元划分示意图

（2）围岩的理想化

将弹性抗力作用范围内的连续围岩，离散为若干条彼此互不相关的矩形岩柱，岩柱具有弹性地基的性质，采用局部变形理论的温克尔假定，把每个岩柱理想化为一个刚性支座上的弹性链杆支承于衬砌单元的节点上，它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。

弹性支承的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定，本文为了简化计算，将弹性支承水平设置。

围岩的理想化如图4.5所示。

图4.5围岩的理想化

4.2.3衬砌内力的计算

按照弹性链杆法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。

本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。

（1）V级围岩初衬（kN）

1）数据的输入

29,18,2.7E7,52.53,131.33,1.5E5,1.5E8,0.300

5.371,9.531,1,0,1,1,0.300

5.419,8.651,1,1,1,1,0.300

5.468,7.771,1,1,1,1,0.300

5.516,6.891,1,1,1,1,0.300

5.555,6.010,1,1,1,1,0.300

5.494,5.102,1,1,1,1,0.300

5.304,4.232,1,1,1,1,0.300

4.993,3.411,1,1,1,1,0.300

4.565,2.638,1,1,1,1,0.300

4.026,1.929,1,1,1,1,0.300

3.383,1.299,1,1,1,1,0.300

2.645,0.763,0,1,1,1,0.300

1.822,0.346,0,1,1,1,0.300

0.929,0.088,0,1,1,1,0.300

0.000,0.000,0,1,1,1,0.300

-0.929,0.088,0,1,1,1,0.300

-1.822,0.346,0,1,1,1,0.300

-2.645,0.763,0,1,1,1,0.300

-3.383,1.299,1,1,1,1,0.300

-4.026,1.929,1,1,1,1,0.300

-4.565,2.638,1,1,1,1,0.300

-4.993,3.411,1,1,1,1,0.300

-5.304,4.232,1,1,1,1,0.300

-5.494,5.102,1,1,1,1,0.300

-5.555,6.010,1,1,1,1,0.300

-5.516,6.891,1,1,1,1,0.300

-5.468,7.771,1,1,1,1,0.300

-5.419,8.651,1,1,1,1,0.300

-5.371,9.531,1,0,1,1,0.300

2）部分程序运行结果（轴力、剪力和弯矩）

NODALFORCE

NO.

N

Q

M

1

799.720

1027.511

.481

2

796.095

93.488

-55.559

3

788.825

-363.576

-70.359

781.904

-498.924

-45.498

5

777.055

-305.801

12.841

770.148

-73.707

37.161

7

760.793

57.705

22.964

8

754.040

104.870

9.998

9

746.905

133.134

5.680

734.083

159.441

5.281

11

712.531

173.911

3.954

683.177

165.504

1.326

13

652.819

112.265

-3.252

14

630.715

8.091

-13.817

15

622.749

-108.107

-18.312

16

-167.281

17

-176.008

18

-158.288

19

-129.883

-94.507

21

-44.477

22

65.346

23

270.284

24

445.527

25

387.086

26

-72.278

27

-504.402

28

-709.638

29

-799.720

63.588

-9.481

根据程序运行结果，作出隧道V级围岩衬砌结构内力图如图4.6示（左侧为轴力，单位为kN；

右侧为弯矩，单位为kN.m）。

图4.6IV级围岩衬砌结构内力

（2）V级围岩二衬

1）数据的输入（kN）

29,18,2.7E7,35.02,87.55,1.5E5,1.5E8,1.202

4.620,9.156,1,0,1,1,1.202

4.855,8.276,1,1,1,1,0.829

5.022,7.396,1,1,1,1,0.590

5.131,6.516,1,1,1,1,0.469

5.180,5.635,1,1,1,1,0.450

5.122,4.771,1,1,1,1,0.450

4.947,3.973,1,1,1,1,0.450

4.658,3.206,1,1,1,1,0.450

4.261,2.484,1,1,1,1,0.451

3.760,1.820,1,1,1,1,0.451

3.162,1.228,1,1,1,1,0.452

2.474,0.724,0,1,1,1,0.452

1.706,0.329,0,1,1,1,0.451

0.871,0.083,0,1,1,1,0.450

0.000,0.000,0,1,1,1,0.450

-0.871,0.083,0,1,1,1,0.450

-1.706,0.329,0,1,1,1,0.451

-2.474,0.724,0,1,1,1,0.452

-3.162,1.228,1,1,1,1,0.452

-3.760,1.820,1,1,1,1,0.451

-4.261,2.484,1,1,1,1,0.451

-4.658,3.206,1,1,1,1,0.450

-4.947,3.973,1,1,1,1,0.450

-5.122,4.771,1,1,1,1,0.450

-5.180,5.635,1,1,1,1,0.450

-5.131,6.516,1,1,1,1,0.469

-5.022,7.396,1,1,1,1,0.590

-4.855,8.276,1,1,1,1,0.829

-4.620,9.156,1,0,1,1,1.202

2）部分程序运行结果（轴力、剪力和弯矩）

576.883

-2027.347

-1.284

565.797

-377.242

-.166

546.297

-212.794

-6.702

531.874

-156.741

-7.593

521.924

-96.107

4.322

514.693

15.071

13.494

507.822

120.648

15.165

500.143

220.027

14.472

490.378

300.356

13.110

476.487

344.547

9.644

457.464

337.079

3.611

434.741

274.711

-4.201

412.780

161.694

-11.241

391.454

-155.112

-23.948

397.099

-267.430

-19.961

-328.781

-339.644

-299.785

-221.049

-121.262

-11.976

95.888

152.099

150.414

167.534

354.129

1012.547

-576.883

-1.228

1.284

根据程序运行结果，作出隧道V级围岩衬砌结构内力图如图4.7示（左侧为轴力，单位为kN；

右侧为弯矩，单位为kN⋅m）。

图4.7V级围岩二衬衬砌结构内力

4.2.4衬砌截面的强度检算

（1）强度检算方法

衬砌结构内力算出后，须进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。

拱形隧道衬砌属偏心受压构件，其截面强度检算根据轴力偏心距e0=M/N的大小可分为两种情况：

1）抗压强度控制（e0≤0.2d）

混凝土和砌体结构的抗压强度应按下式计算：

N式（4.4）

式中K—《铁路隧道设计规范》所规定的强度安全系数；

N—截面的实际轴力；

ϕ—构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，ϕ可取1；

Ra—混凝土或砌体结构的极限抗压强度，对于C20混凝土，Ra取13.5MPa；

b—截面宽度（计算长度），取1m；

d—截面厚度（衬砌厚度）；

α—轴力偏心影响系数，可按下式计算：

α=1+0.648×

-12.569×

+15.444×

式（4.5）e0—截面轴力偏心距。

2）抗拉强度控制（e0>

0.2d）

混凝土构件的抗拉强度应按下式计算：

K=ϕ

或K=

式（4.6）

R1—混凝土的极限抗拉强度，对于C20混凝土，R1取1.7MPa。

（2）强度检算

按照上述衬砌截面强度检算方法，利用Excel软件进行检算，其中初衬强度安全系数KP1.5，二衬强度安全系数KP2.4。

分别作出隧道V级围岩衬砌和二衬的截面强度检算结果如表4.3和表4.4所示。

表4.3V级围岩初衬衬砌截面强度检算

节点

轴力

（KN）

剪力

弯矩

（KN·

M）

偏心距

截面厚度

偏心影

响系数

e/0.2d

偏心

状态

安全

系数

检算

结果

799.72

0.481

0.001

0.3

1.00

0.01

小

5.1

0.070

0.66

1.16

大

2.8

0.089

0.49

1.49

1.5

0.058

0.77

0.97

4.0

0.017

0.28

5.2

0.048

0.84

0.80

4.4

0.030

0.95

0.50

754.04

104.87

0.013

1.01

0.22

5.4

5.68

0.008

0.13

5.5

0.007

0.12

5.6

0.006

0.09

5.7

0.002

0.03

5.9

0.005

0.08

6.2

0.022

0.99

0.37

6.3

0.029

0.96

-0.481

表4.4V级围岩二衬衬砌截面强度检

轴力（kN）

剪力（kN）

（kN·

m

）（m）

截面厚

度（m）

偏心影响

）系数

1.202

1.001

28.2

-0.166

0.000

0.829

1.000

0.00

19.8

0.012

0.59

1.008

0.10

14.7

0.014

0.469

1.009

0.15

12.0

0.45

11.7

0.026

0.998

0.29

11.8

0.992

0.33

11.9

0.994

0.32

12.1

13.11

0.027

0.451

0.997

0.30

12.4

0.020

1.005

12.8

0.452

13.4

0.010

0.11

14.2

412.78

7.287

0.050